仿形/CAD/CAM一体化应用软件包的开发和研究
1、前言
随着现代工业的迅速发展，产品的更新换代速度越来越快，各种产品在不断提高性能的同时，其外形也变得越来越复杂。设计制造行业要以最快的速度和最低的成本生产出高质量的产品，只有运用先进的设计手段和CAD/CAM集成制造技术。近年来，由于CNC机床和个人计算机成本大大降低，一般厂家都能够配备功能齐全的硬件设备，相比之下，优秀软件的开发就更具有实用意义。CAD/CAM技术的应用可大大减少设计人员的工作量，并具有很高的设计和加工精度。但是，在产品设计初期，需要进行大量的计算、测量、绘图及程序编制工作，即现有的CAD系统对未知详细设计参数的已成型产品不能直接加以吸收和利用，这就相对增加了重新开发和设计产品的时间。仿形系统在加工未知加工产品的有关技术数据，或具有复杂外形的已成型产品方面，具有独到的优势。然而，仿形系统本身又有很大的局限性，其形成的产品轮廓图形不能进行查询、修改以及更进一步的分析工作，即它只能对现有产品进行简单的拷贝加工，很难单独对产品进行开发和改进。CAM系统除具有完善的加工规划和后处理功能外，一般还有较强的图形设计能力，并可实现与CNC机床的联接。为了更好地利用国内外现有产品的设计成果，缩短产品开发周期，快速、方便地实现产品的加工，就应充分发挥仿形、CAD和CAM系统的优势，搞好三者之间的接口，实现优势互补与数据共享。另外，将CNC机床与仿形/CAD/CAM系统连接起来构成联机系统，实现设计和编程自动化，并快速下传NC程序，对数控机床进行远程管理或监控，将更能发挥数控机床的优越性，提高管理水平［1］。本软件编制了仿形与CAD/CAM系统之间的接口程序，利用AutoCAD的二次开发功能，制作了CAD功能扩展模块，基于Windows 95，将仿形、CAD、CAM以及数控机床集成于一个系统。
2、CAD、CAM软件的选择
AutoCAD是美国Autodesk公司推出的商品化CAD软件。可运行于16位和32位微机，是目前最流行的CAD软件之一，在我国拥有大量的用户。由于AutoCAD软件具有开放型结构，并包含一个内部编程语言Auto LISP,这不但给用户提供了一个二次开发平台，也保证了系统本身不断地扩充与完善。自从1982年问世以来，目前已推出2000版本，AutoCAD已从一个二维设计绘图系统发展到功能丰富的三维绘图系统，并可进行栩栩如生的优美动画设计。我国的许多工厂、企业及设计部门都是用AutoCAD进行图形绘制与管理的，由于引进外来软件的标准、习惯不同，往往需要进行改进和完善，开发适应国标和本行业的图形库，如粗糙度、形位公差、典型零件等。另外，各行业均有相应的国家标准或行业标准，因此需要建立相应的基础数据库［2］。本软件正是基于上述情况，并考虑处理常见仿形结果图形的方便性，在AutoCAD R13的基础上进行二次开发。
CNC机床和个人计算机的广泛应用，大大促进了CAM软件的发展，市场上常见的可运行于工作站和微机的CAM软件包有SurfCAM,Unigraphics,EdgeCAM,Pro/Engineer,Cimatron以及MasterCAM等。考虑到应用普及性和系统集成的需要，本软件采用了市场占有率较高的MasterCAM作为与AutoCAD和仿形系统联接的CAM软件。
MasterCAM是由CNC Software公司开发的集CAD和CAM功能于一体的应用软件，V5.0以上的版本基于Windows操作系统。该软件除了具有一般的CAD作图功能外，为了适应零件加工的需要，还增设了较强的曲线及曲面造型功能。三维造型方便是MasterCAM的一个突出特点。此外，加强型ANSI、ISO、DIN尺寸标注及剖面线功能，使MasterCAM的CAD功能更加完善。在CAM方面，它拥有车削、铣削、钻削、线切割等多种加工方法，加工方式选择的多样性和交互式的加工参数设置，也给使用者带来方便。另外，MasterCAD提供内装的双向图形文件接口，包括STA、IGES、VDA、DXF、CDL、STL以及ASCII，这不仅使它便于接受其它系统的图形，也使自身作出的图形便于在其它系统中应用［3］。MasterCAM具有通过R232接口与加工机床通讯的功能。
3、仿形文件分析及接口程序制作
仿形系统的工作原理是利用仿形探头将已存在的三维实体模型的外形轮廓曲线或曲面进行数字化，并将所测得的数据写入文件，然后经过一系列的加工前准备，如刀具设定、补偿量选择、加工参数设置等，系统再根据文件中所记录的轮廓数据，按照规定好的加工步骤进行切削加工［4］。本软件采用英国RENISHAW公司发布的仿形软件系统RENSCAN 200，它配有一块可插于微机扩充槽的界面卡，一个装在机床主轴端的扫描头和一个扫描探针组。仿形时，根据实体模型的外形曲率选择某一直径的探针在数控机床上扫描并生成数据文件，该数据文件可在文本编辑器中编辑和修改，其格式如下：
x ***** y ***** z *****
……
事实上，文件中x、y、z的值即为探针扫描时根据设定的步距探测到的点的轨迹。测量完毕后经过加工前规划，即可生成NC加工程序。NC程序通过R232通讯接口传输至数控机床，完成切削加工［5］。
本文采用了两种方式来实现仿形文件与CAD/CAM软件之间的通讯。
(1)采用DXF文件通讯
在仿形软件中，生成扫描数据文件*.PRD(二维)或*．CPT(三维)以后，通过改变设置，可以进一步生成扩展名为PUN的仿形加工文件。PUN文件也是一种文本文件，其格式与DXF文件相似，用Visual C＋＋对这种文件进行处理，将其中符合DXF文件的部分保留，不符合的部分删除，并将文件的文头及文尾写成DXF文件的格式，即成为标准图形交换文件DXF文件。利用此文件，可将仿形系统与CAD或CAM软件联系起来。
(2)采用ASCII文件通讯
把ASCII文件作为仿形系统和MasterCAM之间的接口文件，而MasterCAM与AutoCAD之间可以通过DXF文件直接通讯，这样即可将仿形生成的文件提取至CAD或CAM系统。经过分析仿形数据文件的书写格式和MasterCAM系统中ASCII文件的数据存储方式，用Visual C++编写二者相互转换的接口程序。程序的功能主要包括两方面：第一，读入仿形数据文件并将其修改为ASCII文件的格式，供MasterCAM生成图形时调用；第二，读入ASCII文件并将其修改为仿形文件的格式，供仿形加工时使用。程序功能的第二个方面主要是考虑到仿形加工规划功能在处理某些特殊类型的零件时非常方便(比如凸轮加工和模具的公母模转换等)，有时使用者需要将在MasterCAM或AutoCAD中设计和修改过的图形返回仿形系统进行加工前规划并生成NC加工代码。
4、CAD系统功能扩展
该模块是基于AutoCAD软件开发的，旨在利用AutoCAD强大的图形设计和二次开发功能，对仿形转换过来的图形进行查询、修改以及更进一步的分析工作。本模块主要采用Auto Lisp编写，同时还应用了AutoCAD的块、形、幻灯制作、菜单编制等功能，对于机械制图常用的标准，为了作图时能自动检索出有关数据，还制作了数据文件存储这些数据，并使之与相应的Lisp程序建立联系。该模块的功能主要有：
1)修改圆弧某部分的曲率：可对已作出的曲线上任意两点之间的曲率半径进行修改；
2)曲面的横截面制作：可作出已存在曲面的任意方向截面的轮廓曲线，用于对仿形得到的三维模型进行分析和设计；
3)曲面制作：用于昆式曲面、驱动曲面、回旋曲面等曲面制作；
4)凸轮设计：给定基圆、推程、回程等已知条件，可自动作出点接触式推杆凸轮(等速凸轮、等加速等减速凸轮、简谐振荡凸轮、SIN运动凸轮)的凸轮曲线和COS圆柱凸轮的展开图。主要用于对凸轮仿形结果的分析和对比设计；
5)形位公差自动标注：给定主参数后，即可自动检索出国标中对应于主参数的形位公差值。同时，也给出了一个被测要素由两种以上形位公差限制时形位公差的自动标注方法；
6)粗糙度标注：给出了用去除材料的方法和不用去除材料的方法达到的表面粗糙度的标注；
7)常用标准件自动生成：集中了几种常用标准零件的画法，如螺纹、键、轴承、弹簧、齿轮等，并与相关的Lisp程序和数据文件联系，便于自动作图；
8)典型零件示例：列举了20余种工程中常见的三维实体和二维曲线。
以AutoCAD的标准菜单为基础，增加了一级下拉子菜单“TGMC”来管理上述各功能，其中功能3)～8)还制作了图标菜单，以方便使用。
5、系统集成
为了使以上各功能能够即时初换和同时使用，基于Windows 95，本文制作了一个软件集成系统。系统采用Visual Basic作成，进入系统后能够同时运行仿形、CAD和CAM软件。集成系统的结构图如图1所示。
图1 集成系统结构图
6、结论
本软件包通过建立仿形与CAD/CAM之间的通讯关系，实现了仿形/CAD/CAM一体化。
将仿形结果用于产品设计，使仿形功能得到了极大扩展，缩短了产品开发周期，可有效地利用现有产品的设计成果。CAD功能扩展模块的应用，使得仿形结果图形的分析和修改更加方便，便于输出技术资料及技术文件存档。利用CAM软件(或仿形软件)丰富的加工规划和后处理功能，实现产品的最终加工。整个软件基于Windows平台工作，方便高效。
录入时间:2007-09-30 来源：组合机床与自动化加工技术
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